分析超分子化學(xué)在環(huán)境科學(xué)及醫藥學(xué)中的應用論文
分子化學(xué)是研究基于原子間以共價(jià)鍵而形成的化學(xué)物質(zhì)，而超分子化學(xué)是研究基于由兩個(gè)或兩個(gè)以上分子通過(guò)非共價(jià)鍵的分子間弱相互作用而形成的復雜有序且具有特定功能分子聚集體的化學(xué)。超分子化學(xué)是共價(jià)鍵分子化學(xué)發(fā)展中的一次升華，被稱(chēng)為“超越分子概念的化學(xué)”，亦稱(chēng)為廣義的配位化學(xué)或主-客體化學(xué)。為了鼓勵對超分子化學(xué)形成的貢獻和推動(dòng)對超分子化學(xué)的深入研究，1987年諾貝爾化學(xué)獎授予了為超分子化學(xué)的形成和發(fā)展做出巨大貢獻的三位科學(xué)家，即：1967年在世界上首個(gè)首次合成超分子配體冠醚的美國杜邦公司的佩德森(PedersenCJ)教授、為研究冠醚提出“主-客體化學(xué)”的克拉姆（CramDJ)教授和被譽(yù)為“超分子化學(xué)之父”的法國化學(xué)家萊恩（LehnJM)教授。其中萊恩教授在1987年的獲獎演說(shuō)中指出:超分子化學(xué)是研究?jì)蓚�(gè)或兩個(gè)以上的化學(xué)物質(zhì)分子通過(guò)非共價(jià)鍵的分子間弱相互作用力締合而成的具有特定結構和特定功能的超分子體系的科學(xué)。超分子化學(xué)的產(chǎn)生是化學(xué)與生物學(xué)、物理學(xué)、材料科學(xué)、信息科學(xué)、能源科學(xué)、生命科學(xué)、納米科學(xué)和環(huán)境科學(xué)交叉融合構成的一門(mén)新興熱門(mén)邊緣學(xué)科。特別是超分子化學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展促進(jìn)了上述新領(lǐng)域的形成和發(fā)展，它們之間相互促進(jìn)、相得益彰。不僅如此，超分子化學(xué)在工業(yè)、農業(yè)、國防、醫藥學(xué)及四個(gè)現代化建設等領(lǐng)域均彰顯出廣闊的應用前景。
1超分子化學(xué)在光電材料科學(xué)中的應用
1.1超分子有機無(wú)機雜化物的合成及應用
未來(lái)的分子、電子功能集成將依靠超分子化學(xué)的基本原理，合成出多功能高科技的有用材料，而表面活性劑包埋的雜多酸超分子復合物在光物理、電化學(xué)、磁性族、化學(xué)傳感器、生物標簽、藥物以及催化等領(lǐng)域均有著(zhù)潛在而巨大的應用前景。為此，東北師范大學(xué)的李健生等人通過(guò)離子交換法將DODA+陽(yáng)離子和多酸陰離子作為建筑塊成功合成了四例超分子有機無(wú)機雜化物[DODA]5[PW?039RhCH2C02H].6H20(1)、[DODA]6[SiW?039RhCH2C02H].6H20(2)、[D0DA]2[M〇204(EDTA)]-2H20(3)fn[D0-DA]12[Mo36(NO)4O108(H2O)16]-33H20(4)。采用FTIR光譜、TG分析、NMR譜確定了化合物的組成。用DSC、偏光顯微鏡、VT-XRD和HRTEM表征分析了其結構，實(shí)驗表明化合物1、3和4在加熱條件下能夠形成層狀液晶相結構。進(jìn)而通過(guò)循環(huán)伏安法、表面光電壓、光電流-時(shí)間曲線(xiàn)首次研究了化合物的光電化學(xué)性質(zhì)。循環(huán)伏安結果表明包裹后多酸陰離子的氧化還原性質(zhì)未改變。SPV表明化合物1、3、4光照下能夠產(chǎn)生表面光電壓，并且光電流時(shí)間曲線(xiàn)證明化合物在氙燈照射下能夠產(chǎn)生光電流。這一開(kāi)創(chuàng )性工作為多酸基液晶材料光電功能化開(kāi)辟了新機遇。
1.2含苯噻唑與芴的有機小分子受體超分子材料的光電性能及應用
太陽(yáng)能是最好的清潔能源之一。在各種太陽(yáng)能電池中，網(wǎng)絡(luò )互穿結構的超分子體異質(zhì)結構(BHJ)太陽(yáng)能電池被證實(shí)是十分高效的器件。其活性層材料中的給/受體材料是太陽(yáng)能電池最核心的部分，此前受體材料大部分研究都圍繞富勒烯球及其衍生物。近年來(lái)非富勒烯球類(lèi)的有機小分子受體材料由于其易于合成與純化、通過(guò)分子設計使能級更方便調節等優(yōu)點(diǎn)引起了人們的廣泛關(guān)注。為此，延邊大學(xué)的隋明銳等人以2-((7-(9，9-dipropyl-9H-fluoren-2-yl)benzothiadi-azol-4-yl)methylene)malononitrie(K12)為原型改變其原子或基團設計合成了一系列的有機分子。芴類(lèi)化合物作為一類(lèi)具有剛性平面聯(lián)苯結構的電致發(fā)光材料，由于具有寬的能隙、高的發(fā)光效率等特點(diǎn)，備受各方面的關(guān)注。故他們用Si原子取代C原子后，鍵長(cháng)將明顯增長(cháng)，故有利于降低分子內部的空間位阻，提高結晶度和載流電子的傳輸。他們的研究還表明，苯噻唑小分子衍生物在制作0PV器件過(guò)程中，可以采用真空蒸鍍等方法得到無(wú)定形薄膜，經(jīng)進(jìn)一步退火處理，則可得到高度有序的薄膜并獲得良好的電子傳輸性能�，F今，苯噻唑小分子衍生物作為電子受體材料在0PV器件中表現出較大的潛力，受到人們的廣泛關(guān)注。他們的研究還表明，K12等一系列分子與富勒條球相比，有更好的吸收光譜和能隙，相似的H0M0、LUM0能級和開(kāi)路電壓等，因此從理論上解釋了K12等一系列分子可能具備高效太陽(yáng)能電池給體材料的潛質(zhì)[6]。該研究將在材料科學(xué)、光電科學(xué)、生物科學(xué)及催化科學(xué)中得到應用。
1.3超分子凝膠的形成及光電性能
低分子量的有機凝膠（LMOGs)是一類(lèi)重要的超分子軟物質(zhì)材料，在溶劑中加熱溶解，冷卻過(guò)程中通過(guò)氫鍵、范德華力、堆積等分子間作用力形成三維網(wǎng)狀結構。在分子內引入具有手性的氨基酸單元可以增加分子間作用的位點(diǎn)，增強分子的成膠能力。為此，延邊大學(xué)的孫晉國等人利用3-羥基-2-萘甲酸和6-羥基一2-萘甲酸作為初始原料合成了超分子凝膠因子A和B，通過(guò)對凝膠因子A和B的成膠能力測試，結果發(fā)現凝膠因子B在苯中形成凝膠(4.lmg/mL)的能力遠遠大于凝膠因子A在苯中的成膠（27.4mg/mL)能力，且凝膠因子B形成的是透明凝膠，而凝膠因子A形成的為不透明的凝膠。熒光測試結果發(fā)現B在苯中形成的凝膠(5xl(T3mol/L，藍色線(xiàn))相對于溶液(2xlO—Vol/L，紅色線(xiàn)）發(fā)生了明顯的紅移且伴隨著(zhù)熒光的淬滅。而A無(wú)此現象，這是由于羥基位置的影響。該研究將在光電材料科學(xué)、光譜分析及膠體化學(xué)的研究中得到應用。
2超分子化學(xué)在環(huán)境科學(xué)及醫藥學(xué)中的應用
2.1鹽酸改性粉煤灰吸附含Cr6+廢水的研究及應用
粉煤灰是鍋爐燃燒過(guò)程中沒(méi)有完全燃燒的飛沫，具有良好的吸附性能與化學(xué)穩定性，故對金屬離子具有吸附過(guò)濾特性。經(jīng)鹽酸處理后的粉煤灰顆粒表面變得粗糙，形成許多凹槽和孔洞，從而增大了顆粒的比表面積。含Cr6+廢水來(lái)源于諸多工廠(chǎng)及行業(yè)，其可對地表水和地下水水質(zhì)產(chǎn)生污染，此外Cr6+易在環(huán)境或動(dòng)植物體內蓄積，如過(guò)量攝入，會(huì )嚴重影響人體健康。為此，延邊大學(xué)的權躍等人以鹽酸改性粉煤灰為吸附劑，采用靜態(tài)吸附法對實(shí)驗室模擬含C/+廢水進(jìn)行了單因素（粉煤灰投加量、吸附體系pH值、吸附時(shí)間、廢水初始濃度）吸附研究，并確定了最佳吸附條件，即在室溫251條件下，鹽酸改性粉煤灰對含鉻廢水中C/+的最佳吸附條件:當初始濃度5.Omg/L的含Cr6+廢水30mL中鹽酸改性粉煤灰投加量4.5g、吸附體系PH值2~3、吸附時(shí)間90min時(shí)，Cr6+的去除率達95%w(最大）。用該方法處理后的廢水中Cr6+的濃度降低到0.25mg/L，低于國家一級排放標準，SPCr6+專(zhuān)0.5mg/L。該研究將在農業(yè)種植、環(huán)境科學(xué)、材料科學(xué)及醫藥學(xué)研究中將得到應用。
2.2KOH改性花生殼對亞甲基藍吸附行為研究及應用
近年來(lái)，染料廢水污染引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題日益嚴重。多數染料帶有復雜的芳環(huán)結構，故具有一定的毒性和生物積聚性，且在自然條件下很難降解。亞甲基藍屬于陽(yáng)離子染料，有著(zhù)廣泛的應用價(jià)值，但其污染會(huì )導致人體的一些不良反應，如心跳增加、嘔吐、休克、黃萎病、黃疸、四肢癱瘓和人體組織壞死等。而殼類(lèi)物質(zhì)經(jīng)過(guò)適當的表面化學(xué)改性可進(jìn)一步提高其吸附效率，故在污水處理中有著(zhù)廣闊的應用前景。為此，延邊大學(xué)的權躍等人以花生殼為原料，KOH為改性劑，研究了改性后的花生殼的吸附性能、吸附機理及最佳實(shí)驗條件，為改性花生殼作為廢水吸附劑的應用提供了理論依據。即用KOH改性花生殼對亞甲基藍進(jìn)行吸附，其最佳吸附最佳條件為:20mg/L亞甲基藍溶液50mL中投加改性花生殼0.05g、pH值11.0、吸附時(shí)間50min，其對亞甲基藍廢水的去除率為97.86%。該研究將在環(huán)境科學(xué)、醫藥學(xué)、分析分離科學(xué)及工業(yè)污染治理中得到應用。
2.3BPQ-DNA超分子加合物的合成及應用
環(huán)境中的化學(xué)污染物苯并（a)芘（B[a]P)在生物體代謝過(guò)程中會(huì )生成BPQ(Benzo[a]pyrene-7，8-dione)，從而導致DNA(Deoxyribonucleicacid)分子的損傷。BPQ-DNA超分子加合物是其對DNA化學(xué)損傷的最普遍形式，可以用來(lái)評價(jià)和預測化合物的潛在致癌性。為此，延邊大學(xué)的孫士美等人考慮了體外合成BPQ-DNA超分子加合物的影響因素，建立并優(yōu)化了BPQ-DNA反應體系。利用該方法分別合成了BPQ-deoxycytidine(dC)、BPQ-deoxyguanosine(dG)、BPQ-deoxyadenosine(dA)的DNA超分子加合物，并對該系列超分子聚合物利用光譜分析進(jìn)行了結構鑒定，且研究了其分析方法對潛在致癌性的評價(jià)和預測。該研究將在環(huán)境科學(xué)、醫藥學(xué)及分析分離科學(xué)中得到應用。
2.4鹽酸改性粉煤灰吸附處理含銅廢水的優(yōu)化條件及應用
含銅廢水污染是一個(gè)極其嚴重的環(huán)境問(wèn)題，它可通過(guò)水、土壤、空氣及食物鏈危害人類(lèi)的生存和健康；過(guò)量的銅離子可導致植物生長(cháng)不良，誘導土壤微生物死亡，對水生生物產(chǎn)生毒性等，故低成本高效率處理含銅廢水刻不容緩。粉煤灰是燃煤過(guò)程中排出的一種固體廢棄物，具有多孔性、比表面積大等優(yōu)點(diǎn)，故有著(zhù)優(yōu)良的吸附性能。粉煤灰經(jīng)酸處理后，表面形成了許多凹槽和孔洞，其比表面積增大，從而提高了吸附能力。酸處理后粉煤灰含有人AL2(SO4)3，Fecl3，Alcl3等成分，而它們又有著(zhù)優(yōu)良的絮凝作用，這些物質(zhì)水解后可形成許多復雜的多核超分子絡(luò )合物，這將更有利于吸附廢水中懸浮的膠體雜質(zhì)。為此，延邊大學(xué)的吳昊等人以鹽酸改性過(guò)的粉煤灰為吸附劑，探討了其對含銅廢液中銅離子去除的最佳條件，即當含銅廢水中銅離子初始濃度為5.0mg/L、體系的pH值為9.0、給50mL含銅廢水中加入5.0g改性粉煤灰、吸附時(shí)間為90min時(shí)，對銅離子的吸附能力最強，其去除率達到95%以上。處理后的水中銅離子濃度達到工業(yè)廢水排放標準，故實(shí)現了以廢治廢的目的，且為含銅工業(yè)廢水治理提供了經(jīng)濟、實(shí)用、簡(jiǎn)單的處理方法，對治理環(huán)境污染具有重要意義。
3超分子化學(xué)的同質(zhì)多晶現象及應用
從原子堆積的同質(zhì)多晶現象到分子堆積的同質(zhì)多晶現象的研究，使人們認識到“分子是保持化學(xué)性質(zhì)的最小粒子”這一概念的缺陷。分子堆積的同質(zhì)多晶現象研究表明，同一分子基于晶態(tài)陣列的變化會(huì )呈現出不同的理化性質(zhì)，并表達出不同的生理活性。同時(shí)，同質(zhì)多晶現象的研究也進(jìn)一步揭示了物質(zhì)結構的復雜性和多樣性，使人們對功能材料的制備和開(kāi)發(fā)獲得了更加有用的工具。目前，人們研究分子的同質(zhì)多晶現象主要包括互變異構多晶現象、構象異構多晶現象、有機金屬多晶現象、超分子多晶現象以及假多晶現象。為此，華中科技大學(xué)的李紅政等人近十年來(lái)主要研究了超分子化學(xué)的同質(zhì)多晶現象，并基于分子同質(zhì)多晶的性質(zhì)來(lái)實(shí)現等級晶態(tài)結構體的構筑，發(fā)現了多個(gè)具有四級結構的高階晶態(tài)堆積結構體。該研究將在超分子化學(xué)、結構化學(xué)、結晶學(xué)、材料科學(xué)等研究中得到應用。
4結語(yǔ)
超分子化學(xué)作為一門(mén)植根深遠的新興熱門(mén)邊緣學(xué)科與18、19世紀的經(jīng)典化學(xué)相比較，其顯著(zhù)的特征是從宏觀(guān)進(jìn)入微觀(guān)，從靜態(tài)研究進(jìn)人動(dòng)態(tài)研究，從個(gè)別、細致、孤立研究發(fā)展到相互滲透、相互聯(lián)系研究，從分子內的原子排列發(fā)展到分子間的相互作用研究。從某種意義上講，超分子化學(xué)淡化了有機化學(xué)、無(wú)機化學(xué)、生物化學(xué)和材料化學(xué)之間的界線(xiàn)，著(zhù)重強調了具有特定結構和功能的超分子體系，并將四大基礎化學(xué)有機地融為一體，從而為21世紀的熱點(diǎn)領(lǐng)域分子器件、納米科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)、能源科學(xué)、信息科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、大環(huán)化學(xué)等的發(fā)展開(kāi)辟了一條嶄新的道路，即被譽(yù)為21世紀新概念和高科技發(fā)展的重要源頭之一。我們堅信，由于超分子化學(xué)是21世紀新思想、新概念、新技術(shù)的主要源頭，是朝陽(yáng)科學(xué)，它必將為人類(lèi)社會(huì )的文明進(jìn)步及可持續發(fā)展帶來(lái)新的輝煌。
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